גימבל

תמיכה צירית

גימבלאנגלית: gimbal) הוא סוג של תמיכה צירית המאפשרת סיבוב של אובייקט ביחס לציר יחיד.

הדמיה של מערך גימבלים תלת-צירי; הדיסקה שבמרכז נמצאת באוריינטציה קבועה.

מערך של שלושה גימבלים, אשר מושחלים אחד לתוך השני כך שציריהם ניצבים, מעניק חופש תנועה זוויתית מלאה (3 דרגות חופש) לאובייקט שבתוכו, שכן כל אחד משלושת הגימבלים מאפשר סיבוב ביחס לאחד מצירי התנועה האפשריים: גלגול, סבסוב או עלרוד.

מערך גימבלים מאפשר למצב הזוויתי של גוף המוצב על הגימבל הפנימי להישאר בלתי תלוי בסיבוב המשענת שלו (ראו הדמיה), ולכן שילובו משמש בשלל יישומים טכנולוגיים הדורשים פלטפורמות מיוצבות.

לדוגמה, בספינה השטה בים סוער, הגירוסקופים, המצפנים, התנורים ואפילו מחזיקי המשקאות נעזרים בגימבלים כדי שנטייתם ביחס לאופק תשמר למרות טלטול הספינה עקב תנועת הגלים.

המשענת הגימבלית המשמשת כמשען למצפנים ומנגנונים אחרים נקראת לפעמים מתלה קרדן על שם המתמטיקאי והפיזיקאי האיטלקי ג'ירולמו קרדאנו (1576–1501) שתיאר אותו בפירוט. אף על פי כן, קרדן לא המציא את הגימבל וגם לא טען שהוא הראשון שתיארו. האמצעי המכני הזה ידוע מאז העת העתיקה, ותואר לראשונה על ידי המהנדס בן המאה ה-3 לפנה"ס פילון מביזנטיון (אנ'), אם כי כמה חוקרים מודרניים מצדדים בטענה כי לגימבל אין ממציא יחיד בר-זיהוי.

היסטוריה עריכה

הגימבל תואר לראשונה על ידי הממציא היווני פילון מביזנטיון (280–220 לפנה"ס). פילון תיאר סיר דיו בצורת תמניון משוכלל עם פתח בכל פאה, אשר ניתן לסובבו כך שכאשר כל פאה היא למעלה, ועדיין ניתן לטבול את העט בדיו – אך עם זאת הדיו לעולם לא זולג דרך הפתחים שבפאות האחרות. זה הושג בעזרת העיקרון של הצבת צנצנת הדיו שבמרכז הסיר על שלוש טבעות מתכתיות קונצנטריות כך שהיא נותרה נייחת ללא קשר לאופן שבו הסיר החיצוני הסתובב.

יישומים עריכה

מנועים רקטיים עריכה

ביישומים של הנעת חלליות, המנועים הרקטיים מוצבים בדרך כלל על צמד גימבלים כדי לאפשר למנוע יחיד לבצע ניהוג וקטורי הן בציר העלרוד והן בציר הסבסוב. כדי לשלוט בגלגול, צמד מנועים עם בקרת עלרוד או סבסוב דיפרנציאלית משמשים לייצר מומנט מסביב לציר הגלגול של כלי הרכב החללי.

כרונומטרים ימיים עריכה

קצב הפעולה של כרונומטר ימי מכני הוא רגיש לאוריינטציה שלו. מסיבה זו, כרונומטרים מכניים הוצבו בעבר על גימבלים, כדי לבודד אותם מהטלטלות של ספינה בים.

נעילת גימבל עריכה

נעילת גימבל היא אובדן דרגת חופש במערך גימבלים תלת-צירי אשר מתרחש כאשר הצירים של שניים מהגימבלים מגיעים למצב בו הם מקבילים, מה שנועל את המערכת באופן סיבוב דו-ממדי מנוון. אף על פי שיש רק שתי תצורות שגורמות לנעילת גימבל מדויקת, מבחינה מעשית נוצרים קשיים משמעותית בתפקוד המערך כבר בסמוך לאוריינטציות האלו. כאשר מערך גימבלים מתקרב לתצורת הנעילה, סיבובים קטנים של פלטפורמת הגימבל בכללותה מצריכים תנועות מהירות ביותר של הגימבלים המקיפים. אף על פי שהיחס הוא אינסופי רק בנקודה של נעילת הגימבל, מגבלות המהירות והתאוצה המעשיות של הגימבלים – הודות לאינרציה (המסה של כל טבעת גימבל), חיכוך במיסבים, התנגדות זרימת האוויר או זורם אחר מסביב לגימבלים, והיבטים פיזיקליים והנדסיים אחרים – מגבילים את תנועת הפלטפורמה בסמוך לנקודת הנעילה.

ראו גם עריכה

קישורים חיצוניים עריכה

  מדיה וקבצים בנושא גימבל בוויקישיתוף